Sebenta · Propor materiais e tratamentos (UC01415)

Introdução

Esta sebenta ensina a avaliar a aptidão de um material para uma peça e a propor o tratamento certo para lhe dar as propriedades que o serviço exige. É uma competência central de um técnico de fabrico de componentes de construção metálica: uma peça mal escolhida ou mal tratada falha em serviço, mesmo que tenha sido bem fabricada.

O percurso segue a lógica da própria engenharia de materiais: primeiro a estrutura interna dos materiais (cristais, defeitos, diagramas de fase), depois o comportamento mecânico (esforços, ensaios, resistência, fadiga), depois os materiais metálicos propriamente ditos (ligas ferrocarbónicas e não ferrosas), os tratamentos que lhes mudam as propriedades e, por fim, os materiais não metálicos (poliméricos, cerâmicos, compósitos) que muitas vezes competem com o metal na mesma peça.

Objetivos de aprendizagem (referencial): avaliar a aptidão de materiais metálicos e não metálicos para uma peça; determinar tratamentos térmicos e superficiais a aplicar; e identificar as vantagens e desvantagens de cada material e tratamento, adequando sempre o desempenho da peça à sua função e respeitando os métodos e procedimentos definidos.

1. Ciência e tecnologia dos materiais: definições, nomenclatura e normalização

A ciência dos materiais estuda a relação entre quatro elementos: estrutura (como os átomos estão organizados), propriedades (o que o material faz), processamento (como se fabrica e trata) e desempenho (como se comporta em serviço). Esta relação de quatro vértices é o fio condutor de toda a UC: uma estrutura explica uma propriedade, e uma propriedade justifica uma escolha.

Os materiais dividem-se em duas grandes famílias:

• Materiais metálicos: elementos metálicos ou ligas, unidos por ligação metálica (eletrões deslocalizados que se movem livremente pela rede de iões positivos). Esta ligação explica a boa condutividade elétrica e térmica e a ductilidade típica dos metais.
• Materiais não metálicos: polímeros, cerâmicos e compósitos, com ligações covalentes, iónicas ou combinações destas.

Nomenclatura e normalização

Cada material tem uma designação normalizada que transporta informação concreta sobre a sua composição ou propriedades, não é um nome arbitrário. Exemplos:

As normas mais relevantes em Portugal são as europeias (EN), internacionais (ISO) e portuguesas (NP), muitas vezes transpostas umas das outras. A normalização garante que uma designação significa a mesma coisa em qualquer oficina, catálogo de fornecedor ou país, o que é indispensável para encomendar material, interpretar uma ficha técnica ou substituir uma peça com segurança.

2. Estruturas cristalinas: geometria, solidificação, defeitos e difusão

Geometria dos cristais

Nos metais sólidos, os átomos organizam-se em redes cristalinas repetitivas. As três estruturas mais comuns em metais de engenharia são:

A estrutura cristalina explica, isoladamente, boa parte da diferença de comportamento entre metais: um cobre CFC estira-se em fio fino sem partir, um zinco HC racha se se tentar dobrar a frio em excesso.

Solidificação e fronteiras de grão

Quando um metal líquido arrefece, formam-se núcleos de cristalização que crescem em grãos. Cada grão tem a mesma estrutura cristalina, mas orientada de forma diferente do vizinho. O encontro entre grãos cria uma fronteira de grão, uma zona desordenada que trava o movimento das deslocações e, regra geral, torna o material mais resistente quanto mais fino o grão.

Defeitos na rede cristalina

Nenhum cristal real é perfeito, e é precisamente a existência de defeitos que permite muitas propriedades úteis:

• Defeitos pontuais: lacunas (posição de átomo vazia) e átomos intersticiais ou substitucionais (átomos estranhos na rede). São a base da liga metálica e da difusão.
• Defeitos lineares (deslocações): linhas de desalinhamento na rede, cujo movimento é o mecanismo físico da deformação plástica dos metais.
• Defeitos planares (fronteiras de grão): superfícies onde a orientação cristalina muda; travam deslocações e aumentam a resistência (grão fino = material mais resistente).

Difusão em sólidos

A difusão é o movimento de átomos através da rede cristalina, tanto mais rápido quanto maior a temperatura. É o mecanismo físico por trás da cementação e da nitruração (capítulo 9), e também da homogeneização de ligas durante o fabrico.

3. Diagramas de fase

Um diagrama de fase mostra que fases (estados estruturais) existem em equilíbrio, para cada combinação de composição química e temperatura. É o mapa que permite prever a microestrutura resultante de um determinado arrefecimento.

Dois pontos importantes de qualquer diagrama:

• Ponto eutéctico: composição com a temperatura de fusão mínima; o líquido transforma-se diretamente em duas fases sólidas ao arrefecer.
• Ponto eutectóide: transformação equivalente, mas entre duas fases já sólidas.

O diagrama ferro-carbono

O diagrama Fe-Fe₃C é a base de toda a metalurgia dos aços e ferros fundidos. As fases e constituintes principais são:

A fronteira dos 2,1% de carbono separa os aços (até 2,1%) dos ferros fundidos (acima de 2,1%), e é o eixo de todo o capítulo 8. Mais carbono aumenta a dureza e a resistência mecânica, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade, uma troca (trade-off) que se repete em toda a seleção de materiais.

Exemplo resolvido: ler o diagrama ferro-carbono

Um aço com 0,45% de carbono (C45) é arrefecido lentamente a partir de 900°C. Que constituintes se esperam à temperatura ambiente?

Resolução: a 900°C, o aço está totalmente em austenite (fase γ). Ao arrefecer lentamente e cruzar a linha eutectóide (723°C), a austenite transforma-se numa mistura de ferrite proeutectóide (a fase pobre em carbono, que se forma primeiro) e perlite (a mistura lamelar ferrite + cementite, que se forma na transformação eutectóide). Um aço com 0,45% C tem, portanto, uma microestrutura final de ferrite e perlite, mais rico em perlite do que um aço de baixo carbono (ex.: 0,1% C) e mais pobre em perlite do que um aço eutectóide (0,8% C).

4. Comportamento mecânico dos materiais: esforços e ensaios

Os cinco esforços fundamentais

Qualquer peça em serviço está sujeita a combinações destes esforços mecânicos básicos:

Identificar o esforço dominante numa peça real é o primeiro passo de qualquer dimensionamento: uma viga de um pórtico metálico trabalha sobretudo à flexão; um parafuso de fixação, sobretudo à tração e ao corte; um veio de transmissão, sobretudo à torção e à fadiga.

Ensaios mecânicos

Os ensaios mecânicos dividem-se em duas famílias:

Ensaios destrutivos (inutilizam o provete):

• Ensaio de tração: produz o diagrama tensão-deformação (capítulo 5), determina módulo de elasticidade, tensão de cedência e de rutura.
• Ensaios de dureza: Brinell (esfera), Rockwell (cone ou esfera, leitura direta) e Vickers (pirâmide, indicado para materiais duros e camadas finas).
• Ensaios de impacto: Charpy e Izod, medem a energia absorvida na fratura, indicam a fragilidade a baixa temperatura.
• Ensaio de fadiga: sujeita o provete a ciclos de carga repetidos até à rotura.

Ensaios não destrutivos (END) (não danificam a peça, usam-se em controlo de qualidade e inspeção em serviço):

• Líquidos penetrantes: revelam fendas superficiais abertas ao contacto.
• Partículas magnéticas: só em materiais ferromagnéticos, revelam descontinuidades próximas da superfície.
• Ultrassons: deteta defeitos internos por reflexão de ondas sonoras de alta frequência.
• Radiografia: imagem por raios X ou gama, revela porosidades e fendas internas.

5. Diagrama tensão-deformação, lei de Hooke e coeficiente de Poisson

O diagrama tensão-deformação

O ensaio de tração produz o diagrama tensão (σ) versus deformação (ε), a "impressão digital" mecânica de um material. As suas zonas principais:

• Zona elástica: reta inicial; a peça recupera integralmente a forma ao remover a carga.
• Tensão de cedência (σc): fim da zona elástica, início da deformação permanente (plástica).
• Zona plástica: deformação permanente, com endurecimento por deformação (o material fica progressivamente mais resistente à medida que se deforma).
• Tensão de rutura (σr): tensão máxima suportada, seguida de estricção (redução localizada da secção) e fratura.

Um material dúctil (ex.: aço macio) mostra uma grande zona plástica antes de romper; um material frágil (ex.: ferro fundido cinzento, cerâmicos) rompe pouco depois, ou mesmo antes, da cedência.

Lei de Hooke

Na zona elástica, a tensão é proporcional à deformação:

σ = E · ε

onde σ é a tensão (Pa ou MPa), ε é a deformação (adimensional, ou %) e E é o módulo de elasticidade (ou módulo de Young), que mede a rigidez do material: quanto maior o E, mais rígido, isto é, menos deforma para a mesma tensão.

Exemplo resolvido: aplicar a lei de Hooke

Uma barra de aço (E = 210 GPa) está sujeita a uma tensão de 100 MPa, dentro da zona elástica. Qual a deformação (ε)?

Resolução: ε = σ / E = 100 / 210 000 ≈ 0,000476, ou seja 0,048%. Se a barra tiver 2 m de comprimento, o alongamento absoluto é ΔL = ε · L = 0,000476 × 2000 mm ≈ 0,95 mm.

Coeficiente de Poisson

Ao esticar uma peça, ela alonga no sentido da força mas afina na direção perpendicular. O coeficiente de Poisson (ν) relaciona as duas deformações:

ν = − ε_transversal / ε_longitudinal

Para a maioria dos metais, ν ronda 0,3.

6. Tensão admissível, coeficiente de segurança e encurvadura

Tensão admissível e coeficiente de segurança

Nunca se dimensiona uma peça para a tensão de rutura, nem sequer para a tensão de cedência: usa-se a tensão admissível, que introduz uma margem de segurança:

σ_adm = σ_cedência / n

n é o coeficiente de segurança, que cobre incertezas de carga real, variabilidade do material, imperfeições de fabrico e a gravidade das consequências de uma eventual falha. Valores típicos de n vão de 1,5 a 2 em estruturas correntes, e são mais elevados em equipamentos de elevação de cargas ou onde a falha põe pessoas em risco direto.

A verificação de segurança de uma peça é simples de enunciar: está bem dimensionada se a tensão de serviço ≤ σ_adm.

Exemplo resolvido: calcular a tensão admissível

Um perfil de aço S235 (σ_cedência = 235 MPa) vai ser usado numa estrutura corrente, com coeficiente de segurança n = 1,5. Qual a tensão admissível?

Resolução: σ_adm = 235 / 1,5 ≈ 157 MPa. É este valor, e não os 235 MPa da cedência, que se usa para escolher o perfil comercial (secção) que suporta a carga da estrutura.

Encurvadura e a fórmula de Euler

Peças esbeltas (longas e de secção fina) sujeitas a compressão podem falhar por encurvadura: fletem lateralmente muito antes de atingirem a tensão de cedência por compressão simples. A carga crítica de encurvadura é dada pela fórmula de Euler:

P_crítico = π² · E · I / (K · L)²

onde E é o módulo de elasticidade, I o momento de inércia da secção, L o comprimento da peça e K um fator que depende das condições de apoio nas extremidades. Quanto mais comprida e mais esbelta a peça (menor I em relação a L), menor a carga crítica de encurvadura, mesmo que a área da secção seja grande.

7. Resistência à flexão e à torção

Resistência à flexão

Numa viga fletida, a tensão varia ao longo da secção: é máxima nas fibras extremas e nula no eixo neutro.

σ = M / W          W = I / c

• M: momento fletor na secção em análise.
• I: momento de inércia da secção em relação ao eixo neutro.
• c: distância da fibra mais afastada ao eixo neutro.
• W: módulo de flexão (ou de resistência), W = I / c.

O diagrama de momentos fletores mostra como M varia ao longo do comprimento da viga; o diagrama de esforços transversais mostra o correspondente esforço de corte. Perfis em I ou em U concentram o material longe do eixo neutro, o que dá um W elevado com relativamente pouco material, e é por isso a escolha típica em construção metálica para peças fletidas.

Resistência ao corte e à torção

A resistência ao corte relaciona a tensão tangencial com a força que atua paralela ao plano da secção:

τ = F / A

A resistência à torção aplica-se a veios sujeitos a um momento torsor T, que desenvolve uma tensão tangencial variável com o raio:

τ = T · r / J

T é o momento torsor, r a distância ao eixo do veio e J o momento polar de inércia da secção. A tensão de torção é máxima na superfície e nula no centro do veio, razão pela qual veios ocos, com o mesmo peso que um veio maciço equivalente, resistem melhor à torção: o material perto do centro contribuía pouco para a resistência.

8. Fadiga, concentração de tensões e rutura frágil vs dúctil

Fadiga

A fadiga é a falha de uma peça sujeita a cargas cíclicas (repetidas), a uma tensão frequentemente muito abaixo da tensão de rutura estática do material. Descreve-se pela curva S-N (tensão S versus número de ciclos N até à rotura). Muitos aços apresentam um limite de fadiga: uma tensão abaixo da qual a peça resiste, na prática, a um número quase ilimitado de ciclos.

A concentração de tensões agrava a fadiga: entalhes, furos, rasgos de chaveta e mudanças bruscas de secção multiplicam a tensão local por um fator de concentração de tensões (Kt), e são o ponto de partida típico de uma fissura de fadiga.

Rutura frágil vs dúctil, e o efeito da temperatura

• Rutura dúctil: precedida de deformação plástica visível e estricção, absorve muita energia antes de fraturar.
• Rutura frágil: ocorre sem aviso prévio, superfície de fratura plana, pouca energia absorvida.

Muitos aços têm uma temperatura de transição dúctil-frágil: acima dela comportam-se de forma dúctil, abaixo tornam-se frágeis mesmo sem alteração da carga aplicada. O ensaio de impacto Charpy, repetido a várias temperaturas, é o que determina essa temperatura de transição, um critério de seleção de material tão real quanto a resistência à tração, sobretudo em estruturas ao ar livre ou em climas frios.

9. Ligas ferrocarbónicas: aços e ferros fundidos

Aços

Os aços são ligas ferro-carbono com até 2,1% de carbono, muitas vezes com outros elementos de liga (crómio, níquel, molibdénio, manganês).

Os aços-liga, com adição de crómio, níquel ou molibdénio, ganham maior resistência, dureza ou resistência à corrosão. Os aços inoxidáveis têm no mínimo 10,5% de crómio, que forma uma camada de óxido passiva e autorregenerável, protegendo o metal por baixo.

De um modo geral, quanto mais carbono, maior a dureza e a resistência, mas menor a ductilidade e a soldabilidade, uma troca que se repete em toda a seleção de aços.

Ferros fundidos

Os ferros fundidos têm mais de 2,1% de carbono, o que leva à formação de grafite ou cementite na microestrutura, em vez da perlite predominante nos aços.

Os ferros fundidos são mais baratos de fundir e maquinar do que o aço, mas menos dúcteis e praticamente não soldáveis pelos processos correntes. São a escolha típica de blocos de motor e bancadas de máquinas, onde a boa absorção de vibrações do ferro fundido cinzento é uma vantagem, não um defeito.

10. Ligas não ferrosas

Nem toda a peça metálica é de aço ou ferro fundido. As ligas não ferrosas resolvem problemas que o aço, sozinho, não resolve bem:

A escolha entre uma liga não ferrosa e o aço cruza sempre peso, condutividade, resistência à corrosão e custo: não existe "a melhor" liga em absoluto, existe a mais adequada a cada peça e função.

11. Tratamentos térmicos e termoquímicos

Tratamentos térmicos do aço

Um tratamento térmico aquece e arrefece o aço em ciclos controlados de temperatura para mudar a sua microestrutura, sem alterar a composição química. A variável decisiva não é só a temperatura atingida, é sobretudo a velocidade de arrefecimento.

Tratamentos termoquímicos

Os tratamentos termoquímicos mudam a composição química apenas da superfície da peça, mantendo o núcleo inalterado, e exploram o mecanismo de difusão em sólidos do capítulo 2, a temperatura elevada.

• Cementação: difusão de carbono na superfície de um aço de baixo carbono, seguida de têmpera. Resultado: superfície dura, núcleo dúctil e tenaz.
• Nitruração: difusão de azoto, forma nitretos muito duros na superfície, sem necessidade de têmpera posterior.
• Carbonitruração: difusão simultânea de carbono e azoto, combina características das duas anteriores.
• Boretação: difusão de boro, produz superfícies extremamente duras, muito resistentes ao desgaste abrasivo.

Exemplo resolvido: escolher um tratamento termoquímico

Uma engrenagem de uma caixa de velocidades precisa de dentes muito resistentes ao desgaste, mas o núcleo tem de continuar tenaz para não fraturar sob impacto. Que tratamento se propõe?

Resolução: propõe-se a cementação, seguida de têmpera e revenido. O carbono difunde-se na superfície dos dentes, que ficam com dureza elevada após a têmpera; o núcleo, com o teor de carbono original (baixo), permanece dúctil e absorve os choques sem fraturar. É exatamente o compromisso "superfície dura, núcleo tenaz" que a aplicação exige.

12. Tratamentos mecânicos e superficiais, e corrosão

Tratamentos mecânicos

Os tratamentos mecânicos (laminação, forjamento, trefilagem, extrusão) deformam o metal a frio ou a quente e alteram a sua microestrutura. A deformação a frio produz encruamento: o material fica mais duro e resistente, mas menos dúctil, um efeito que se pode reverter com um recozido.

Tratamentos superficiais

• Galvanização: revestimento de zinco, proteção contra corrosão por barreira e por sacrifício galvânico.
• Cromagem: revestimento de crómio, resistência ao desgaste e acabamento decorativo.
• Anodização: própria do alumínio, engrossa a camada de óxido protetor por via eletroquímica.
• Pintura: proteção por barreira, sobretudo estética e contra corrosão atmosférica ligeira.
• Jateamento (shot peening): bombardeamento com esferas metálicas que introduz tensões residuais de compressão na superfície, atrasando o início de fissuras de fadiga.

Corrosão e proteção de materiais metálicos

A corrosão é a deterioração do metal por reação com o ambiente, na maioria dos casos um processo eletroquímico, que requer três elementos: ânodo (metal que se oxida e perde material), cátodo (elétrodo onde ocorre a reação de redução) e eletrólito (meio condutor, tipicamente água com sais dissolvidos ou humidade).

Medidas de proteção: revestimentos por barreira (pintura, galvanização), proteção catódica (ânodos de sacrifício de zinco ou magnésio, ou corrente impressa), inibidores químicos e, sobretudo, a seleção correta do material para o ambiente de serviço.

13. Materiais poliméricos, cerâmicos e compósitos

Materiais poliméricos

• Termoplásticos (polietileno PE, polipropileno PP, PVC, poliamida PA, policarbonato PC): amolecem ao aquecer e podem ser reprocessados; boa relação custo/facilidade de fabrico.
• Termoendurecíveis (epóxi, poliéster, fenólicos): curam através de uma reação química irreversível; não voltam a amolecer com o calor, são mais rígidos e mais resistentes a temperaturas elevadas.
• Elastómeros (borracha natural, NBR, EPDM): capazes de grande deformação elástica reversível, usam-se em vedantes, mangueiras e amortecedores.

Processam-se por injeção (peças complexas em série), extrusão (perfis, tubos, chapas contínuas), moldagem por compressão (comum em termoendurecíveis) e vulcanização (reação que dá aos elastómeros a sua elasticidade estável e durável).

Materiais cerâmicos

• Tradicionais: louça, tijolo, telha, à base de argilas; baratos, frágeis, bons isolantes térmicos.
• Técnicos: alumina, carboneto de silício, zircónia; muito duros e resistentes a temperatura e desgaste, usados em ferramentas de corte e componentes de alta exigência.
• Vidros: sólidos amorfos, sem estrutura cristalina ordenada, transparentes, frágeis, com boa resistência química.

Processam-se por conformação (prensagem, extrusão, colagem por barbotina) seguida de sinterização, um aquecimento abaixo do ponto de fusão que une as partículas por difusão e densifica a peça, dando-lhe a resistência final.

Todos os cerâmicos partilham um traço comum: elevada dureza e boa resistência à compressão, mas fragilidade acentuada à tração e ao impacto, sem zona plástica que avise antes da fratura.

Materiais compósitos

Um compósito combina dois ou mais materiais distintos para obter propriedades que nenhum tem sozinho:

Um compósito bem projetado supera, na aplicação certa, qualquer material homogéneo equivalente em peso, mas as suas propriedades dependem fortemente da direção das fibras: ao contrário de um metal, não se comporta da mesma forma em todas as direções.

Erros comuns

• Escolher o material só pela resistência ou pela dureza isolada, ignorando o conjunto de exigências reais da peça (corrosão, custo, fabrico, temperatura de serviço).
• Confundir rigidez (módulo de elasticidade) com resistência (tensão de rutura): um material pode ser rígido e frágil ao mesmo tempo.
• Dimensionar para a tensão de rutura ou de cedência, em vez da tensão admissível com o coeficiente de segurança aplicado.
• Ignorar a encurvadura ao dimensionar peças esbeltas em compressão, olhando só para a área da secção.
• Aplicar têmpera sem revenido, deixando a peça perigosamente frágil.
• Confundir cementação (adiciona carbono) com nitruração (adiciona azoto).
• Juntar metais muito diferentes em ambiente húmido, provocando corrosão galvânica acelerada no metal menos nobre.
• Tratar um compósito como um material isotrópico, ignorando o efeito da direção das fibras.
• Esquecer a temperatura de transição dúctil-frágil em estruturas ao ar livre ou em climas frios.

Glossário

• Liga: material metálico composto por um metal base e um ou mais elementos adicionados.
• Estrutura cristalina: organização repetitiva dos átomos num sólido (CCC, CFC, HC).
• Deslocação: defeito linear na rede cristalina, mecanismo da deformação plástica.
• Difusão: movimento de átomos através de uma rede sólida, acelerado pela temperatura.
• Diagrama de fase: representação das fases estáveis em função de composição e temperatura.
• Austenite, ferrite, cementite, perlite: constituintes do diagrama ferro-carbono.
• Tensão (σ): força por unidade de área.
• Deformação (ε): variação relativa de comprimento.
• Módulo de elasticidade (E): rigidez de um material na zona elástica.
• Coeficiente de Poisson (ν): relação entre deformação transversal e longitudinal.
• Tensão admissível: tensão de cedência dividida pelo coeficiente de segurança.
• Encurvadura: instabilidade lateral de peças esbeltas em compressão.
• Fadiga: falha por cargas cíclicas, a tensões abaixo da rutura estática.
• Concentração de tensões: aumento local da tensão junto a entalhes ou mudanças de secção.
• Têmpera, revenido, recozido, normalização: tratamentos térmicos do aço.
• Cementação, nitruração: tratamentos termoquímicos que endurecem a superfície.
• Corrosão eletroquímica: deterioração do metal por reação com o ambiente, com ânodo, cátodo e eletrólito.
• Termoplástico, termoendurecível, elastómero: famílias de materiais poliméricos.
• Sinterização: densificação de um cerâmico por aquecimento abaixo do ponto de fusão.
• Compósito: combinação de dois ou mais materiais para propriedades superiores às de cada um isolado.

Síntese

A seleção de materiais parte sempre da estrutura interna: cristais, defeitos e diagramas de fase explicam porque um metal se comporta como se comporta. O comportamento mecânico (esforços, ensaios, lei de Hooke, tensão admissível, encurvadura, flexão, torção, fadiga) dá as ferramentas de cálculo para verificar se uma peça aguenta o serviço. As ligas ferrocarbónicas e não ferrosas oferecem um leque de materiais metálicos, cada um com o seu nicho. Os tratamentos térmicos, termoquímicos, mecânicos e superficiais mudam as propriedades finais sem mudar a peça de material. E os materiais não metálicos (poliméricos, cerâmicos, compósitos) completam o leque de escolhas disponíveis ao técnico. Propor um material e um tratamento é sempre um exercício de comparar vantagens e desvantagens face à função real da peça.

Exercícios resolvidos

1. Um veio de transmissão parte-se após meses em serviço, apesar de nunca ter sido sujeito a uma carga próxima da tensão de rutura do aço. Qual a causa mais provável?

Resolução: fadiga, provavelmente agravada por concentração de tensões num rasgo de chaveta ou mudança de secção sem raio de concordância. A fadiga falha a tensões muito abaixo da rutura estática, por isso "nunca ter chegado perto da rutura" não é garantia nenhuma de segurança contra cargas cíclicas repetidas.

2. Um perfil de aço S235 (σ_cedência = 235 MPa) vai suportar uma carga que gera uma tensão de serviço de 140 MPa. Com um coeficiente de segurança de 1,5, o perfil está bem dimensionado?

Resolução: σ_adm = 235 / 1,5 ≈ 157 MPa. Como a tensão de serviço (140 MPa) é inferior à tensão admissível (157 MPa), o perfil está bem dimensionado, com uma margem de cerca de 17 MPa.

3. Porque é que uma engrenagem se cementa em vez de se temperar por igual em toda a peça?

Resolução: a cementação difunde carbono só na superfície, dando dentes com dureza elevada (resistência ao desgaste) depois de temperados, mantendo o núcleo com o carbono original, dúctil e capaz de absorver os choques em serviço sem fraturar. Temperar a peça inteira daria dureza uniforme, mas tornaria o núcleo frágil e mais suscetível a fraturar sob impacto.

4. Dois metais diferentes (aço e cobre) estão em contacto elétrico numa estrutura exposta à chuva. Que tipo de corrosão se deve prevenir e como?

Resolução: corrosão galvânica. Previne-se isolando eletricamente os dois metais (juntas isolantes, revestimentos), ou instalando ânodos de sacrifício (ex.: zinco) que se corroem preferencialmente e protegem o metal menos nobre da estrutura, neste caso o aço.

5. Um pilar metálico esbelto colapsa sob uma carga de compressão bem abaixo da tensão de cedência do material. Que fenómeno explica esta falha, e que propriedade da secção o técnico devia ter reforçado?

Resolução: encurvadura, prevista pela fórmula de Euler (P_crítico = π²EI/(KL)²). O técnico devia ter aumentado o momento de inércia (I) da secção, por exemplo escolhendo um perfil em I, em U ou tubular, em vez de confiar apenas na área da secção para resistir à compressão.

6. Uma peça precisa de boa resistência à corrosão, ser leve e ter boa condutividade térmica. Entre aço-carbono, alumínio e ferro fundido cinzento, qual se propõe, e porquê?

Resolução: alumínio, porque forma uma camada de óxido protetora que lhe dá boa resistência à corrosão sem tratamento adicional, tem cerca de ⅓ da densidade do aço (é leve) e boa condutividade térmica. O aço-carbono corroeria sem proteção e o ferro fundido cinzento é frágil e mais pesado, além de não ter vantagem térmica sobre o alumínio.